用超声波成像大脑

用于医学成像的超声波和用于对地球内部成像的地震学都测量波在物质中的传播。例如，当地震波在地球内部遇到物质差异时，例如在不同的岩层之间，它们会在它们的界面处被反射和折射。结果，波浪的速度发生了变化。假设研究人员在地表测量这些波。在这种情况下，他们可以推断出地球内部的结构，以及岩石的成分及其材料特性，例如密度、压力或温度。

在CSCS的“PizDaint”等复杂算法和高性能计算机的帮助下，苏黎世联邦理工学院地球物理研究所教授、地震与波浪物理组负责人AndreasFichtner等研究人员可以使用这些波浪数据表征地球的三维结构。超声波和地震波之间传播的相似性，以及团队在波物理领域的专业知识——如何使用波携带的信息并将其转换为图像——导致ETH教授和他的团队也研究用于医学超声的波传播。

因此，大约6年前，该研究小组与医生合作，成功开发了用于早期检测乳腺癌的超声方法。该团队现在正在研究如何用超声波检查大脑。例如，通过这种方法，研究人员和医生有一天可以监测中风患者或识别脑肿瘤。

与计算机断层扫描(CT)或X射线相比，超声波具有决定性的优势：该过程对身体几乎完全无害。此外，它比磁共振成像(MRI)更具成本效益，例如，超声设备可运输以在偏远地区使用。然而，问题在于，到目前为止，超声波仅对软组织有效——很难通过颅骨等硬结构获得超声波，因为骨骼强烈反射和抑制波。

头骨的六面体有限元网格。特写镜头展示了这种网格化策略在处理复杂几何形状方面的有效性。Marty,P.等人的插图。医学影像2022：医学影像物理学;120313H(2022)

Fichtner小组的博士生PatrickMarty现在正在他的博士论文中开发一种方法来克服这一挑战，并得到了地震学和波浪物理小组高级科学家ChristianBöhm的支持。据科学家称，这种方法应该为用高分辨率超声成像大脑提供基础。

为了模拟波在大脑中的传播，研究人员正在开发算法，在称为“网格”的特殊网格上执行许多计算。其核心是一个名为Salvus的软件包。Salvus在CSCS的支持下在苏黎世联邦理工学院开发，模拟了完整波场(全波形)在从几毫米到几千公里的空间尺度上的传播。ETH地震学家使用这个软件来模拟地震波，例如探索地球或火星的内部，现在也用于医学成像。该软件包使用光谱元素法(SEM)，它特别适合模拟具有高对比度材料过渡的介质(如软脑组织和骨骼)中的波传播。

“与仅使用波到达时间的传统超声不同，我们在模拟中使用了整个波信息，”Marty说。这意味着波在其传播的每个点的形状、频率、速度和幅度都会流入计算中。

对于他们的模型，研究人员首先使用大脑的MRI作为参考。然后，在“PizDaint”超级计算机上，他们使用不同的参数进行计算，直到模拟图像与MRI的图像匹配。

该方法获得了定量图像，而不是常规超声常见的信息量较少的灰度图像。通过使用来自完整波场的所有信息，研究人员可以正确映射介质的物理特性——超声波在组织中传播的速度、它们的阻尼特性和组织的密度——在每个点脑。这最终使得确定组织类型并区分它是脑肿块还是肿瘤组织成为可能，因为与不同类型组织相关的声音的密度、衰减或速度从实验室实验中已知。

研究人员相信，这种方法可用于区分健康组织和病变组织，同时具有非侵入性和成本效益。具体来说，可以将该方法输入计算机，该计算机集成到专门为此目的开发的超声设备中。计算机将使用传感器记录的超声信号执行一系列计算，结果将是正在检查的大脑的3D图像。然而，研究人员强调，要进入临床实践还有很长的路要走。

剩下的一个特别挑战是颅骨的复杂几何形状，由于眼睛、鼻子和下颌腔等，必须在模拟中精确建模，而不会显着增加计算时间。为了解决这个问题，Marty正在开发方法来为六面体(具有六个面的小元素)中的任意头骨形状创建单独的数值网格。“使用这些变形的小立方体，我们的速度比使用四面体时快100到1000倍，”Böhm说。“此外，该项目还极大地受益于显卡的新发展，例如我们在“PizDaint”中以及未来在“Alps”中的那些。它们非常适合这种方法。”

研究人员继续与苏黎世大学医院的医生合作，进一步开发这些技术。假设马蒂在接下来的三年博士论文中成功地进一步开发了大脑网格化和成像程序。这些相同的方法可以转移到其他身体部位，例如膝盖或肘部。这将为开发相应的超声设备提供有希望的基础。

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